تطبیق الگوی حرکتی گل مهتاب با الگوریتم حرکتی نمای ساختمان در راستای بهبود رفتار حرارتی در اقلیم گرم و خشک

محورهای موضوعی : فناوری و انرژی در معماری

زهرا یارمحمودی ^{1 *} , لیلا جاهدی ²

1 - گروه معماری، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ايران
2 - گروه معماری، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ايران

تاریخ دریافت : 1404/03/07 تاریخ پذیرش : 1404/04/21 تاریخ انتشار : 1404/07/06

کلید واژه: الگوریتم حرکتی, گل مهتاب, نمای ساختمان, رفتار حرارتی, اقلیم گرم و خشک.,

چکیده مقاله :

در دوران معاصر با افزایش مصرف روزافزون انرژی‌های تجدیدناپذیر، همچنان آسایش حرارتی مناسب برای کاربران وجود نداشته، همین امر باعث شده رویکردهایی که در بهینه‌سازی مصرف انرژی راهکارهایی کارامدند در طراحی پوسته‌های نمایی مورد اقبال واقع شوند. ازآنجا که پوسته ساختمان به عنوان مرز بین فضای داخل و خارج نقش مهمی در رفتار حرارتی ساختمان دارد، لذا ابتکارهای نوین در کیفیت طراحی آن نقش قابل توجهی در کاهش مصرف به ارمغان خواهد آورد. در این میان الگوگیری از ساختار طبیعت که از سیستم‌های بهینه قابل دسترس می‌باشد، در افزایش کارایی و بهینه‌سازی حرارتی مثمرثمر است. باتوجه به ضرورت مسئله، هدف کلان پژوهش حاضر، طراحی پوسته‌ی نمای ساختمان در راستای بهبود آسایش بصری حرارتی است. ضمن اینکه، الگوی گیاهی (گل مهتاب) به‌عنوان منبع الهام در الگوریتم حرکتی پوسته انتخاب شده، چراکه گیاهان کنشگری قابل توجهی درکاهش بار حرارتی فضا به‌خصوص در طراحی نمای ساختمان دارند. به منظور بررسی کارایی ایده در پژوهش حاضر از فرایند دیجیتالی مدلسازی-شبیه‌سازی، توسط افزونه‌ی گرس‌هاپر در نرم‌افزار راینو6 و مدلسازی توسط افزونه‌ی هانی‌بی و لیدی‌باگ در تحلیل‌های نوری بهره‌برداری شده است. گل مهتاب چنانچه از وجه تسمیه آن نیز برمیاید به هنگام طلوع ماه، باز شده و درحضور خورشید بسته می‌شود، لذا الگوی رفتارحرکتی آن دوری از حضور در برابر آفتاب و حرکت چرخشی گلبرگ‌ها به سمت مرکز آن، باز و بسته می‌شود. کاربست این الگوی حرکتی در طراحی الگوریتم حرکتی پنل‌های پوسته‌های هوشمند ساختمان می‌تواند در بهبود کیفی کنترل ورود نور به فضای داخلی کارامد و بهینه باشد. نتیجه به دست آمده موّید این مطلب است که سایبان در حالت باز 50 درصد، در حالت نیمه‌باز 63 درصد، در حالت بسته 77 درصد، از انرژی جذب شده توسط سطوح شفاف نمای ساختمان و سایبان در حالت باز 48 درصد، در حالت بسته 80 درصد و در حالت نیمه باز 62 درصد از میزان ورود نور روز کاسته و دارای عملکرد مطلوب در اقلیم گرم و خشک یزد است.

چکیده انگلیسی:

This research investigates the optimization of the thermal performance of building envelopes inspired by the movement of the Moonflower, specifically for the hot and arid climate of Yazd, Iran. The main challenge in such climates is to control solar radiation entering indoor spaces, reduce energy consumption, and enhance occupants’ thermal comfort. The study proposes a novel approach by utilizing bionic algorithms and biomimicry, particularly the opening and closing mechanism of the Moonflower, to design dynamic building facades. The Moonflower exhibits unique motion in response to sunlight (phototropism) and gravity (geotropism), making it an ideal model for developing intelligent shading systems. The research first models the Moonflower’s movement and then simulates its motion algorithm parametrically as a dynamic building envelope. Digital tools such as Rhino, Grasshopper, Ladybug, and Honeybee are used for modeling and solar energy analysis. Simulation results show that the Moonflower-inspired dynamic facade effectively controls the amount of solar radiation entering the building throughout different times of the day and year. In summer, the closed state of the facade prevents excessive heat gain, while in winter, the open state allows maximum sunlight penetration, thus reducing the need for mechanical cooling and heating and improving indoor thermal comfort. The study concludes that employing bionic approaches and biomimicry specifically, the Moonflower’s adaptive behavior can serve as an efficient and innovative solution for climate-responsive and sustainable architectural design. This method not only optimizes energy consumption and enhances thermal comfort but also provides a visually dynamic and adaptable building envelope that responds in real-time to environmental changes. In summary, the research demonstrates the potential of nature-inspired kinetic facades in addressing the challenges of hot and arid climates, offering practical strategies for energy-efficient and comfortable buildings.

 

Extended Abstract

 

Introduction

Optimization of the thermal behavior of buildings is one of the fundamental challenges in contemporary architecture aimed at reducing the consumption of non-renewable energy and increasing the thermal comfort of occupants. The building facade, as the main interface between interior spaces and external environmental conditions, plays an important role in controlling solar radiation, natural ventilation, and heat. However, traditional and fixed facades are often no longer capable of responding to a wide range of rapid climatic changes, leading to energy waste and thermal discomfort.

Given the role of building envelopes and their significant impact on thermal and cooling loads, visual comfort, and building energy consumption, controlling the amount of lighting, thermal load, and directing it to the required spaces according to temporal and spatial conditions, lighting season, geographical location, geometry, dimensions, and correct positioning of openings is considered a design challenge. In this regard, the application of bionic patterns in controlling and improving thermal behavior is very important because these patterns are inspired by mechanisms and behaviors observed in nature, thus offering the most optimal thermal performance. Since organisms in nature have regained their complexity and adaptability functionally and practically over many years within the natural environment, modern design has shifted towards bionic strategies to optimize energy consumption and significantly reduce thermal loads. Consequently, this effectively lowers temperature, which also impacts adjacent spaces within a certain range.

Nature, with its intelligent and adaptive motion mechanisms, offers successful examples of self-regulating environmental conditions. Plants such as Sunflower, Morning glory, and Moonflower optimally control light exposure and temperature through their regular and purposeful movements. Mimicking the intelligent movements of plants as motion algorithms for building facades can enable the design of dynamic, smart facades that automatically respond to climatic changes in real time. This approach could provide a tangible solution to the core research question: How can the behavioral pattern of the Moonflower inform the design of facade shading to improve thermal behavior, visual comfort, energy efficiency, and occupants' thermal comfort? Addressing this requires developing algorithmic models and parametric simulations to regulate facade movements in response to environmental temperature and radiation changes. Consequently, designers must expand their perspective toward nature to incorporate broader ecological concepts into design. The movement algorithms of plants and their active interaction with external environmental factors represent a novel approach to creating responsive facades. The hot, arid climate of Yazd has been selected as the design context for optical analysis, as field studies and biological research may help align the Moonflower’s movement patterns with facade algorithms.

In the contemporary era, with the increasing consumption of non-renewable energy sources, adequate thermal comfort for users has still not been fully achieved. This has led to the growing acceptance of approaches that offer efficient solutions for optimizing energy consumption in the design of building facades. Since the building facade serves as the boundary between the interior and exterior spaces and plays a significant role in the building’s thermal behavior, innovative improvements in its design quality can substantially contribute to reducing energy consumption.

Among these approaches, biomimicry drawing inspiration from natural structures, which are accessible optimized systems proves effective in enhancing thermal efficiency and optimization. Considering the importance of the issue, the overarching goal of the present research is to design a building facade aimed at improving visual and thermal comfort. In this context, the plant pattern of the Moonflower has been selected as the source of inspiration for the kinetic algorithm of the facade, as plants play a significant active role in reducing thermal loads, especially in facade design.

 

Methodology

To evaluate the effectiveness of the idea in the present research, a digital modeling and simulation process was utilized using the Grasshopper plugin in Rhino 6 software, along with modeling and optical analyses conducted through the Honeybee and Ladybug plugins.

 

Results and discussion

As the name suggests, the Moonflower opens at moonrise and closes in the presence of sunlight. Therefore, its movement pattern involves avoiding exposure to sunlight, with its petals rotating inward toward the center to open and close. Applying this movement pattern in designing the kinetic algorithm for smart building facade panels can be an effective and efficient approach to improving the quality of light control entering the interior space.

 

Conclusion

The results confirm that the shading device reduces the energy absorbed by the transparent surfaces of the building facade by 50% when fully open, 63% when half-open, and 77% when closed. Additionally, the shading device decreases daylight penetration by 48% in the fully open state, 80% when closed, and 62% when half-open, demonstrating effective performance in the hot and dry climate of Yazd.

منابع و مأخذ:

1. زارعی، محمد ابراهیم و میردهقان اشکذری، سید فضل‌اله. (1398). بررسی تعامل اصول معماری مسکونی دوره‌های آل‌مظفر و قاجار شهر یزد از منظر جهت‌گیری با انرژی خورشیدی. معماری و شهرسازی آرمان شهر، 12(27)، 87-98. doi: 10.22034/aaud.2019.92451
2. زبردست، علیرضا و درسخوان، رسول. (1400). تبیین مولفه‌های دستیابی به توسعه پایدار محیطی در ساختار مدیریت شهری کلانشهر تبریز. پایداری، توسعه و محیط زیست، 3(2)،21-40. https://jsde.srbiau.ac.ir/article_19243.html
3. جعفریان، سپیده؛ سرکرده ئی، الهام؛ منصفی پراپری، دانیال و مجاهدی، محمدرضا. (1400). بررسی تاثیر سایه‌بان غشایی سبک انعطاف‌پذیر در ایجاد آسایش حرارتی در اقلیم گرم و خشک. معماری و شهرسازی پایدار، 9(2)، 64-47. doi: 10.22061/jsaud.2021.7420.1795
4. خطیبی، اشکان؛ شهبازی، مجید و ترابی، زهره. (1401). ارزیابی شدت روشنایی در فضاهای اداری و ارائه راهکار مداخله گرانه برای کاهش خیرگی در آن‌ها (موردپژوهی: یک ساختمان اداری در تهران). معماری و شهرسازی پایدار، 10(2)، 153-164. doi: 10.22061/jsaud.2022.8185.1928
5. شجری، سعید؛ بهبهانی نیا، آزیتا و عبدالی سوسن، اشکان. (1401). برآورد پتانسیل کاهش گازهای گلخانه ای از طریق بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان اداری در شهر تهران با استفاده از نرم افزار انرژی پلاس. پایداری، توسعه و محیط زیست، 1(3)، 1-11. https://jsde.srbiau.ac.ir/article_20070.html
6. صفایی تبار، مژده؛ فرحزا، نریمان و کوششگران، علی اکبر. (1396). تحلیل و ساخت الگوهای پارامتریک در ایجاد نمای دوم به منظور کنترل نور در فضای داخلی مسکن. معماری و شهرسازی پایدار، 5(2)، 15-26. 20.1001.1.25886274.1396.5.2.2.8
7. فرشی حقی، زهره؛ محمودی نژاد، هادی؛ ناصری، غلامحسین و داداشی، مهدی. (1400). ارزیابی کاربست دانش بیومیمیکری در آموزش طراحی معماری با روش قیاس از طبیعت. معماری و شهرسازی پایدار، 9(2)، 112-97. doi: 10.22061/jsaud.2021.7748.1859
8. قنبران، عبدالحمید و حسین پور، امین. (1393). بررسی رفتار حرارتی نماهای دوپوسته در اقلیم شهر تهران. معماری و شهرسازی پایدار، 1(2)، 43-53. 43–53. 20.1001.1.25886274.1392.1.2.4.2
9. قدوسی فر، سیدمهدی و فرامرزی اصلی، مهسا. (2022). تحلیل نمای‌ دو پوسته‌ متحرک‌ در بهره‌وری‌ مصرف‌ انرژی‌ در پایداری ساختمانهای مسکونی شهر تبریز. پایداری، توسعه و محیط زیست، 4(3)، 21-41. https://jsde.srbiau.ac.ir/article_21574.html
10. مضطرزاده، حامد و حجتی، وحیده. (1394). تحلیل و ارزیابی معیارهای کالبدی پایداری در محلات شهری در اقلیم گرم و خشک ایران. معماری و شهرسازی پایدار، 3(2)، 59-74. 59–74. 20.1001.1.25886274.1394.3.2.6.8
11. نصر، طاهره و یارمحمودی، زهرا. (1401). مقایسه‌ی عملکرد انواع سایبان ثابت در جهت کنترل نور روز ساختمان (مطالعه موردی: جبهه‌ی جنوبی در اقلیم یزد). علوم و تکنولوژی محیط زیست، 5(24)، 45-33. https://doi.org/10.30495/jest.2022.61515.5423
12. نصر، طاهره؛ یارمحمودی، زهرا و احمدی، سیدمحمد. (1399). تاثیر هندسه پوسته‌ متحرک بر بهینه‌سازی مصرف انرژی با الهام از الگوریتم حرکتی گیاه قهر و آشتی. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری‌های نوین معماری و شهرسازی، 10(3)، 219-230. 20.1001.1.23224991.1399.10.3.3.3
13. یارمحمودی، زهرا؛ نصر، طاهره و مضطرزاده، حامد. (1403). انطباق الگوریتم حرکتی سایبان هوشمند نمای ساختمان با الگوی رفتاری گیاه اگزالیس در راستای کنترل نور روز (نمونه‌موردی: شهر شیراز). طراحی و برنامه ریزی در معماری و شهرسازی، 3(2)، 66-85. https://doi.org/10.71930/dpau.2024.1045628
14. یارمحمودی، زهرا؛ نصر، طاهره و مضطرزاده، حامد. (1402). طراحی سایبان متحرک در جهت کنترل نور روز در اقلیم گرم و نیمه‌خشک (با الهام از الگوی حرکتی گیاه گوشت‌خوار). فضای زیست،1(3)، 135-158. 10.22094/lsj.2023.704902
15. یارمحمودی، زهرا؛ نصر، طاهره و مضطرزاده، حامد. (1402). طراحی الگوریتمیک نمای هوشمند ساختمان در جهت کنترل نور روز با الهام از الگوی حرکتی گل زنبق. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری‌های نوین معماری و شهرسازی، 13(2)، 1-24. 20.1001.1.23224991.1402.13.2.1.0
‌مو یارمحمودی، زهرا و نصر، طاهره. (1402). .بهره‌گیری از الگوی تغییرپذیر جهت طراحی پوسته‌ی ساختمان در راستای کنترل نور روز (نمونه‌موردی: گل میمون). معماری و محیط پایدار، 1(1). https://sanad.iau.ir/fa/Article/782691?FullText=FullText
17. یارمحمودی، زهرا و مضطرزاده، حامد. (1403). ارائه مدل سایبان متحرک جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی با الهام از الگوریتم حرکتی گل آفتابگردان. علوم و تکنولوژی محیط زیست، 5(26)، 117-127. https://sanad.iau.ir/fa/Article/836947
18. یارمحمودی، زهرا. (1403).انطباق الگوی رفتاری گل زعفران با الگوریتم حرکتی سایبان هوشمند نمای ساختمان در راستای کنترل نور روز. مطالعات بین رشته ای در تعالی معماری و شهرسازی، 2(3)، 79-95. https://sanad.iau.ir/Journal/jisaud/Article/1106194
19. Bano, F., & Sehgal, V. (2019). Finding the gaps and methodology of passive features of building envelope optimization and its requirement for office buildings in India. Thermal Science and Engineering Progress, 9, 66–93. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.11.004
20. Climate Yazd, averages - Weather and Climate. (n.d.). Retrieved February 14, 2023, from https://weather-and-climate.com/average-monthly-Rainfall-Temperature-Sunshine,Yazd,Iran
21. Hosseini, S. M., Fadli, F., & Mohammadi, M. (2021). Biomimetic kinetic shading facade inspired by tree morphology for improving occupant’s daylight performance. Journal of Daylighting, 8(1), 65–82. DOI:10.15627/jd.2021.5
22. Liu, Q., Han, X., Yan, Y., & Ren, J. (2023). A Parametric Design Method for the Lighting Environment of a Library Building Based on Building Performance Evaluation. Energies, 16(2), 832. DOI:10.3390/en16020832
23. Lubis, B., Saputri, I. N., Ajartha, R., Bangun, S. M. B., Pranata, C., Purba, N., & Turnip, N. (2019). Anti-inflammatory activity test for ethanol extract Moon flower (Tithonia diversifolia) leaves to male white mice. ICHIMAT. DOI:10.5220/0009974705510557
24. Mahmoud, A. H. A., & Elghazi, Y. (2016). Parametric-based designs for kinetic facades to optimize daylight performance: Comparing rotation and translation kinetic motion for hexagonal facade patterns. Solar Energy, 126, 111–127. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.12.039
25. Mangkuto, R. A., Koerniawan, M. D., & Yuliarto, B. (2022). On the interaction between the depth and elevation of external shading devices in tropical daylit classrooms with symmetrical bilateral openings. Buildings, 12(6), 818. DOI:10.3390/buildings12060818
26. Mohamed Abd El-Rahman, S., Ibrahim Esmail, S., Bakr Khalil, H., & El-Razaz, Z. (2020). Biomimicry inspired Adaptive Building Envelope in hot climate. Engineering Research Journal, 166, 30–47. DOI:10.21608/erj.2020.135274
27. Nadiri, P., Mahdavinejad, M., & Pilechiha, P. (2019). Optimization of building façade to control daylight excessiveness and view to outside. Journal of Applied Engineering Sciences, 9(2), 161–168. https://doi.org/10.2478/jaes-2019-0022
28. Razazi, S., Mozaffari Ghadikolaei, F., & Rostami, R. (2022). The effect of external and internal shading devices on energy consumption and co2 emissions of residential buildings in temperate climate. Space Ontology International Journal, 11(1), 75–89. https://doi.org/10.22094/soij.2022.1950918.1476
29. Sadegh, S. O., Haile, S. G., & Jamshidzehi, Z. (2022). Development of two-step biomimetic design and evaluation framework for performance-oriented design of multi-functional adaptable building envelopes. Journal of Daylighting, 9(1), 13–27. https://dx.doi.org/10.15627/jd.2022.2
30. Tabares-Velasco, P. C., Christensen, C., & Bianchi, M. (2012). Verification and validation of EnergyPlus phase change material model for opaque wall assemblies. Building and Environment, 54, 186–196. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2012.02.019
31. Wagdy, A., Elghazi, Y., Abdalwahab, S., & Hassan, A. (2015). The balance between daylighting and thermal performance based on exploiting the kaleidocycle typology in hot arid climate of Aswan, Egypt. In AEI, 300–315. https://doi.org/10.1061/9780784479070.028
32. Yzadi, Y., Shemirani, S. M. M., & Etesam, I. (2021). An Investigation of the Relation between the Structural Components of the Vernacular Houses in Hot and Arid Areas in Iran. The Monthly Scientific Journal of Bagh-e Nazar, 18(96), 59–76. https://doi.org/doi: 10.22034/bagh.2020.170445.3984
33. Zarkesh, A., Mahyari, H., & Mahdavinejad, M. (2022). An intelligent adaptive skin from a biomimetic approach for energy consumption reduction. Hoviatshahr, 14(4), 23-35. DOI:10.30495/hoviatshahr.2022.64865.12140